Durante unas semanas del verano de 2011, equipos de científicos de todo el mundo se reunieron en una pequeña parcela de bosque de pinos ponderosa en Colorado para llevar a cabo uno de los estudios más detallados y amplios de la química atmosférica jamás intentados en un solo lugar, en muchos casos utilizando nuevos dispositivos de medición creados especialmente para este proyecto. Ahora, tras años de análisis, esta semana se ha hecho pública su exhaustiva síntesis de los resultados.
Los equipos, entre los que se encuentra un grupo del MIT que utiliza un dispositivo de nuevo desarrollo para identificar y cuantificar los compuestos de carbono, han presentado sus resultados combinados en un artículo publicado en la revista Nature Geoscience. Jesse Kroll, profesor asociado del MIT de Ingeniería Civil y Medioambiental y de Ingeniería Química, y James Hunter, instructor técnico del MIT en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales que era estudiante de doctorado en el grupo de Kroll en el momento de la investigación, fueron el autor principal y el autor principal, respectivamente, de los 24 colaboradores del informe. La profesora asociada Colette Heald, del Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental y del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias, también fue coautora.
Compuestos orgánicos
Los compuestos orgánicos (que contienen carbono) que estudiaron en esa parcela del bosque de Colorado desempeñan un papel fundamental en los procesos químicos atmosféricos que pueden afectar a la calidad del aire, la salud del ecosistema y el propio clima. Sin embargo, muchos de estos procesos siguen siendo poco conocidos en su complejidad real, y nunca antes se habían muestreado, estudiado y cuantificado tan rigurosamente en un solo lugar.
«El objetivo era intentar comprender la química asociada a las partículas orgánicas en un entorno forestal», explica Kroll. «Los distintos grupos realizaron muchas mediciones diferentes utilizando los instrumentos más modernos que cada uno había desarrollado». De este modo, pudieron rellenar importantes lagunas en el inventario de compuestos orgánicos de la atmósfera, descubriendo que cerca de un tercio de ellos se encontraban en forma de compuestos orgánicos semivolátiles y de volatilidad intermedia (SVOCs e IVOCs) no medidos anteriormente.
«Hace tiempo que sospechábamos que había lagunas en nuestras mediciones del carbono en la atmósfera», afirma Kroll. «Parecía haber más aerosoles de los que podemos explicar midiendo sus precursores».
El equipo del MIT, así como algunos de los otros grupos de investigación, desarrollaron instrumentos que apuntaban específicamente a estos compuestos difíciles de medir, que Kroll describe como «todavía en fase gaseosa, pero pegajosos». Su pegajosidad hace que sea difícil hacerlos llegar a través de una entrada a un dispositivo de medición, pero estos compuestos pueden desempeñar un papel importante en la formación y alteración de los aerosoles, diminutas partículas transportadas por el aire que pueden contribuir a la niebla tóxica o a la nucleación de gotas de lluvia o cristales de hielo, afectando al clima de la Tierra.
SVOC
«Algunos de estos instrumentos se utilizaron por primera vez en esta campaña», afirma Kroll. Al analizar los resultados, que proporcionaron mediciones sin precedentes de los SVOC y los IVOC, «nos dimos cuenta de que teníamos este conjunto de datos que proporcionaba mucha más información sobre los compuestos orgánicos de la que habíamos tenido antes». Al reunir los datos de todos estos instrumentos en un conjunto de datos combinados, pudimos describir los compuestos orgánicos de la atmósfera de una manera más completa de lo que nunca había sido posible, para averiguar lo que realmente está sucediendo».
Es un reto más complicado de lo que parece, señalan los investigadores. Los árboles y el resto de la vegetación emiten constantemente un gran número de compuestos orgánicos diferentes, que varían en su composición química, sus propiedades físicas y su capacidad de reaccionar químicamente con otros compuestos. En cuanto entran en el aire, muchos de los compuestos comienzan a oxidarse, lo que aumenta exponencialmente su número y diversidad.
La campaña de colaboración para caracterizar las cantidades y reacciones de estos diferentes compuestos tuvo lugar en una sección del Observatorio Forestal Experimental de Manitou, en las Montañas Rocosas de Colorado. Se utilizaron cinco instrumentos diferentes para recoger los datos sobre los compuestos orgánicos, y tres de ellos no se habían utilizado nunca antes.
A pesar de los avances, queda mucho por hacer, dicen los investigadores. Aunque las mediciones de campo proporcionaron un perfil detallado de las cantidades de los distintos compuestos a lo largo del tiempo, no pudieron identificar las reacciones y vías específicas que transformaban un conjunto de compuestos en otro. Ese tipo de análisis requiere el estudio directo de las reacciones en un entorno controlado de laboratorio, y ese tipo de trabajo está en curso, en el laboratorio del MIT de Kroll y en otros lugares.
El estudio de todos estos detalles permitirá afinar la precisión de los modelos atmosféricos y ayudará a evaluar aspectos como las estrategias para mitigar problemas específicos de contaminación atmosférica, desde el ozono hasta las partículas, o para evaluar las fuentes y los mecanismos de eliminación de los componentes atmosféricos que afectan al clima de la Tierra.
En el equipo de medición participaron investigadores de la Universidad de Colorado, la Junta de Recursos del Aire de California, la Universidad de California en Berkeley, la Universidad de Toronto, la Universidad de Innsbruck en Austria, el Centro Nacional de Investigación Atmosférica, la Fundación Edmund Mach en Italia, la Universidad de Harvard, la Universidad de Montreal, Aerodyne Research, la Universidad Carnegie-Mellon, la Universidad de California en Irvine y la Universidad de Washington. El trabajo fue financiado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica.
